基于CAN總線食堂刷卡系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)副本

1、一、 項(xiàng)目申請(qǐng)理由（包括項(xiàng)目背景及自身具備的知識(shí)、素質(zhì)、能力等研究條件）為激發(fā)新世紀(jì)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，根據(jù)教育部國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃有關(guān)文件精神，學(xué)校決定組織開展第五批校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目申報(bào)工作,為了提高我們的創(chuàng)新和動(dòng)手能力，我們想借此機(jī)會(huì)實(shí)踐一下。在學(xué)好扎實(shí)的理論知識(shí)基礎(chǔ)上,課余時(shí)間積極主動(dòng)自主學(xué)習(xí)和電子設(shè)計(jì)有關(guān)的知識(shí),如單片機(jī),matlab及多種仿真軟件multisim、protel、proteus，對(duì)電子設(shè)計(jì)有了一定的理論基礎(chǔ)，頭腦中也充斥著無(wú)數(shù)奇思妙想，渴望能將理論和實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，給學(xué)習(xí)帶來(lái)更多的樂趣。 我們這個(gè)隊(duì)可能是參賽中為數(shù)不多的純09級(jí)學(xué)生。

2、我們的知識(shí)或許沒有學(xué)長(zhǎng)那么淵博，我們的經(jīng)歷也沒有學(xué)長(zhǎng)豐富?？晌覀?cè)敢馀Ω淖冏约?，提高自己。我們這個(gè)隊(duì)伍剛剛還在參加“畢昇杯”電子設(shè)計(jì)大賽。很多人說(shuō)我們什么都不會(huì)跑去參加什么比賽。是的，我們沒有過多大的專業(yè)技能和知識(shí)，可我們正在改變自己。從當(dāng)初只認(rèn)識(shí)電阻到現(xiàn)在基本區(qū)分常用電子器件，從對(duì)硬件一無(wú)所知到學(xué)習(xí)STC89S52單片機(jī)，從只知道考試到做出了自己的最小系統(tǒng)，這條路我們走的很辛苦，可我們很快樂，我們?cè)诔砷L(zhǎng)，我們?cè)趭^斗，沒有什么比這更好的了。選擇這個(gè)課題，是因?yàn)槟壳靶@消費(fèi)信息管理系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)多采用RS-485總線的組網(wǎng)方式。采用RS-485總線組網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，但采用RS-48

3、5總線無(wú)故障定位和錯(cuò)誤處理能力，組網(wǎng)的靈活性不強(qiáng)。有一些學(xué)校的校園消費(fèi)信息管理系統(tǒng)采用以太組網(wǎng)方式，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)就近連接在校園網(wǎng)上，但這種情況下，實(shí)時(shí)響應(yīng)能力也不強(qiáng)。因此，在很多方面并不合適，所以有些地方需要改進(jìn)。在查閱了相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)，如果快速在兩個(gè)窗口機(jī)上刷下不同的金額，數(shù)據(jù)終端會(huì)扣除金額最少的一次消費(fèi)。這就是RS-485總線造成的數(shù)據(jù)延時(shí)，而采用CAN總線控制的校園消費(fèi)信息網(wǎng)管理系統(tǒng)控制的底層網(wǎng)絡(luò)具有傳輸效率高，抗干擾能力強(qiáng)，硬件連接方便等特點(diǎn)，使得使用、維護(hù)和擴(kuò)充都更為方便。此外，學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)此總線傳輸所需要的知識(shí)一方面是我們要學(xué)習(xí)掌握的基礎(chǔ)知識(shí)。需要單片機(jī)，及其外圍電路的擴(kuò)充，如數(shù)碼管顯示

4、，矩陣鍵盤，復(fù)位電路，還有通過CAN總線收發(fā)器連接網(wǎng)絡(luò)等等，這也是我們現(xiàn)在學(xué)習(xí)的，希望通過參加此類活動(dòng)，能是我們更加深刻的理解我們所學(xué)的知識(shí)，另一方面，本項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的知識(shí)與以后的工作和社會(huì)的發(fā)展密切相關(guān)，所以此項(xiàng)目具有可行性。整個(gè)系統(tǒng)的核心是DS80C410單片機(jī)，DS80C410網(wǎng)絡(luò)微控制器是集成度最高的8051器件。外設(shè)包括一個(gè)10/100以太網(wǎng)MAC，3個(gè)串行端口，一個(gè)可選CAN 2.0B控制器，1-Wire主機(jī)和64個(gè)I/O引腳。DS80C410具有64k字節(jié)內(nèi)部SRAM，用于存儲(chǔ)用戶應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)堆棧。最高達(dá)75MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率使最短指令周期僅有54ns。采用Dallas內(nèi)嵌CAN

5、控制器的高速網(wǎng)絡(luò)微控制器DS80C410作為窗口機(jī)的微處理器，負(fù)責(zé)整個(gè)窗口機(jī)和鍵盤的監(jiān)控。窗口機(jī)的通信任務(wù)是DS80C410內(nèi)嵌的CAN控制器在CPU控制下完成的，CAN控制器通過CAN總線收發(fā)器PCA82C250接收總線上的數(shù)據(jù)，供CPU讀取，也可以將CPU送來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。窗口機(jī)硬件還包括一個(gè)44鍵盤（10個(gè)數(shù)字鍵、6個(gè)功能鍵）控制和選擇、前后各10位數(shù)碼顯示（顯示內(nèi)容完全相同）所確定的數(shù)額。項(xiàng)目采用CAN總線控制，與傳統(tǒng)的傳輸方式最大的區(qū)別在于：(1)多主方式工作，非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)；(2)采用短幀結(jié)構(gòu)，受干擾概率低，每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施；(3

6、)對(duì)嚴(yán)重錯(cuò)誤具有自動(dòng)關(guān)閉總線功能,使總線其它操作不受影響；(4)CAN總線最大傳輸速率可達(dá)1MB/s，最大傳輸距離為10km，傳輸介質(zhì)可為雙絞線。二、項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容（目前研究的現(xiàn)狀、方法、觀點(diǎn)、難點(diǎn)、特點(diǎn)和提出的創(chuàng)新點(diǎn)等）目前現(xiàn)狀總線控制系統(tǒng)由于其自身的優(yōu)越條件在當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而傳統(tǒng)的RS-485總線傳輸方式多為一主多式的傳輸，而且對(duì)錯(cuò)誤的處理能力較低，高峰期響應(yīng)也較慢，會(huì)使得對(duì)用戶的使用造成一定影響，在目前社會(huì)的快速發(fā)展中，其會(huì)越來(lái)越不適應(yīng)需求。觀點(diǎn)與特點(diǎn)在日常生活和生產(chǎn)制造中，很多地方都會(huì)需要總線控制，如總線智能控制、總線溫度、防火控制，尤其是汽車總線控制，所以了解和研

7、究總線控制對(duì)以后的發(fā)展會(huì)有很大幫助。但無(wú)論如何，首先要考慮的還是一個(gè)產(chǎn)品的性價(jià)比，對(duì)基于CAN總線控制的刷卡系統(tǒng)，其相對(duì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)多主工作方式：網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)采用無(wú)損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競(jìng)爭(zhēng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性較差。(2)檢測(cè)和處理錯(cuò)誤：CAN總線通過CAN控制器接口芯片82C250

8、的兩個(gè)輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會(huì)出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，從而保證不會(huì)出現(xiàn)因個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。(3)開發(fā)難度適中：CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無(wú)法比擬的。另外，與其它現(xiàn)場(chǎng)總線比

9、較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、且性價(jià)比高等諸多特點(diǎn)的一種已形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。實(shí)驗(yàn)方法1. 基本原理系統(tǒng)框圖如圖所示DS80C410（單片機(jī)）鍵盤LED顯示EEPROM復(fù)位光電耦合CAN總線收發(fā)器（PCA82C250）非接觸式IC卡（）CAN0控制器 圖1系統(tǒng)原理圖該控制系統(tǒng)由復(fù)位電路，晶振電路，鍵盤控制電路，單片機(jī)控制CAN總線電路，LED顯示電路，電源電路等組成。DS80C410通過光電耦合與CAN總線收發(fā)器（PCA82C250）連接控制總線進(jìn)而控制窗口機(jī)，通過鍵盤設(shè)定窗口機(jī)，在LED上顯示，經(jīng)CAN總線與服務(wù)器進(jìn)行傳輸與反饋。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)通信的食堂售飯系統(tǒng)的通信特點(diǎn)

10、非常適合于采用CAN總線。它的短幀結(jié)構(gòu)非常適合系統(tǒng)對(duì)抗干擾能力和實(shí)時(shí)通信能力要求較高，單次通信量很小的場(chǎng)合;靈活的組網(wǎng)特點(diǎn)完全可以解決大型食堂售飯系統(tǒng)中多個(gè)食堂和營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)較分散的問題?；贑AN總線的食堂售飯系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用總線型接法，主要包含三層：服務(wù)器、中繼器和終端。其中服務(wù)器包括工作服務(wù)器和備用服務(wù)器，這兩個(gè)服務(wù)器在營(yíng)業(yè)時(shí)同時(shí)工作，互為備用，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。中繼器可以延伸通信距離，增加終端數(shù)目，變換通信速率，并能起到濾波和隔離作用。終端主要是銷售用的窗口機(jī)，還包括掛失機(jī)、解掛機(jī)、發(fā)卡/充值機(jī)等。 發(fā)卡充值機(jī)工作服務(wù)器備用服務(wù)器打印機(jī)CAN總線中繼器n中繼器1CAN總線CA

11、N總線窗口機(jī)1窗口機(jī)2窗口機(jī)3窗口機(jī)1窗口機(jī)2窗口機(jī)3 圖2食堂售飯系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖3主要程序流程圖窗口機(jī)具有連網(wǎng)和脫網(wǎng)兩種運(yùn)行方式。窗口機(jī)的默認(rèn)工作方式分為連網(wǎng)運(yùn)行，只有在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障或其他原因無(wú)法連網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，才通過開關(guān)設(shè)定為脫網(wǎng)運(yùn)行。圖3為窗口機(jī)運(yùn)行的主程序流程圖。窗口機(jī)初始化后，先進(jìn)行鍵盤處理，LED顯示處理，并判斷是否回收消費(fèi)記錄。然后查詢是否讀到卡，讀到卡后，調(diào)用相應(yīng)連網(wǎng)或脫網(wǎng)子程序，進(jìn)行營(yíng)業(yè)操作。 YY窗口機(jī)初始化有鍵按下？調(diào)用顯示子程序調(diào)用按鍵處理子程序開始YEEPROM中有消費(fèi)記錄？服務(wù)器回收消費(fèi)記錄子程序讀到卡？調(diào)用10ms延時(shí)子程序判斷聯(lián)網(wǎng)？調(diào)用聯(lián)網(wǎng)子程序調(diào)用脫網(wǎng)子程序YNN

12、NN圖3 窗口機(jī)運(yùn)行主程序流程圖4工作流程 NNNNYYYY收到服務(wù)器確認(rèn)？顯示提示信息重新總消費(fèi)額重發(fā)三次？返回重發(fā)三次？重新發(fā)卡號(hào)通過MMM讀寫器模塊，獲取卡號(hào)發(fā)送卡號(hào)給服務(wù)器請(qǐng)求服務(wù)器發(fā)余額收到余額？顯示余額子程序入口顯示提示信息計(jì)算并顯示總消費(fèi)額計(jì)算并顯示新余額將總消費(fèi)額額發(fā)送到服務(wù)器 圖4 工作流程5幀的發(fā)送和接收DS80C410中CAN模塊提供了15個(gè)報(bào)文中心，作為發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。幀的發(fā)送和接收通過這15個(gè)報(bào)文中心實(shí)現(xiàn)，也可以選擇一個(gè)或若干個(gè)報(bào)文中心發(fā)送或接收幀。這15個(gè)報(bào)文中心發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)順序是以報(bào)文中心的逆序排列的。報(bào)文中心1-14可設(shè)置為接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，報(bào)文

13、中心15只能接收數(shù)據(jù)。報(bào)文中心的控制寄存器（C0M1CC0M15C）位于SFR中。每個(gè)報(bào)文中心有一個(gè)格式寄存器（C0MyF）、4個(gè)仲裁寄存器和8個(gè)字節(jié)（C0MyD0C0MyD7）的數(shù)據(jù)區(qū)域。仲裁寄存器的值可以在初始化中設(shè)置，也可以在發(fā)送程序中設(shè)置，而且它的值可隨著數(shù)據(jù)的接收而自動(dòng)更改。另外，報(bào)文中心15的C015M0C015M3寄存器，還可以執(zhí)行附加的濾波。當(dāng)窗口機(jī)處于接收狀態(tài)時(shí)，CAN控制器將根據(jù)屏蔽寄存器和接收?qǐng)?bào)文中心的仲裁寄存器的值對(duì)接收幀的ID標(biāo)識(shí)符進(jìn)行判斷，確定報(bào)文中心是否接收，只有當(dāng)接收幀的標(biāo)識(shí)符與仲裁寄存器的值相等的時(shí)候，幀才被接收;另外，CAN模塊還有媒體屏蔽寄存器和媒體仲裁寄

14、存器，可對(duì)接收的數(shù)據(jù)幀的第0和1兩個(gè)字節(jié)進(jìn)行額外的校驗(yàn)。6.項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)1.設(shè)計(jì)與以往采用不同的總線連接方式，具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，處理錯(cuò)誤能力強(qiáng)等特點(diǎn)。2.此設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)集成度較高，能同時(shí)完成對(duì)窗口和鍵盤的操作，且時(shí)鐘頻率高，響應(yīng)速度快。3.設(shè)計(jì)功能完備，使用方便，性價(jià)比高，可直接用于商業(yè)開發(fā)。三、 項(xiàng)目進(jìn)度安排（查閱資料、選題、自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目研究方案、開題報(bào)告、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、處理與分析、研制開發(fā)、填寫結(jié)題表、撰寫研究論文和總結(jié)報(bào)告、參加結(jié)題答辯和成果推廣等）研究計(jì)劃及預(yù)期成果主要研究階段（起止時(shí)間）階段預(yù)期成果成果形式前期2011年7月15日至2011年9月 25日理論分析、資料查閱、項(xiàng)目總體規(guī)劃項(xiàng)目計(jì)劃書及電路設(shè)計(jì)圖中期2011年9月26日至2012年3月31日基本完成硬件電路這其中還包括春節(jié)假期硬件電路后期2012年4月1日至2012年9月10日軟件編寫以及最終硬件系統(tǒng)調(diào)試實(shí)物最終研究成果最終成果名稱最終成果形式基于CAN總